JP2010249425A

JP2010249425A - バーナ

Info

Publication number: JP2010249425A
Application number: JP2009099907A
Authority: JP
Inventors: Yukio Minegishi; 幸男峯岸; Hidemi Sasaki; 英巳佐々木; Wataru Kobayashi; 渉小林
Original assignee: OLYMPIA KOGYO KK
Current assignee: OLYMPIA KOGYO KK
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2010-11-04

Abstract

【課題】低ＮＯｘバーナにおいて、ターンダウン比を大きくした場合でも低ＮＯｘ性能を損なうことなく安定燃焼を可能にするバーナを供給することである。
【解決手段】燃料を噴出するノズル１と燃焼空気の送風手段４と燃焼空気をノズルから噴霧される燃料へ供給する空気通路３とを備えるバーナにあって、ノズルからの燃料噴出量の低減に応じて、送風手段から供給する燃焼空気流量を低減する燃焼量低減時においても、主燃焼空気である２次空気噴流の中に高速の空気を吹き込み、２次空気噴流の流速をあげ、乱れを増幅して、噴霧燃料との混合を促進するために、１ｋＰａ以上の高圧噴流口１２を主燃焼空気の出口である２次空気噴流口８内に配置し、２次空気噴流と同時軸方向に噴出す高圧空気ノズル１５を持つことを特徴とするバーナである。
【選択図】図１

Description

この発明はボイラなどに使用されるバーナに関するものである。

液体を燃焼させる低ＮＯｘバーナとして、火炎を分割するバーナが知られている。（特許文献１参照）この種のバーナは、燃料を噴霧するノズルの周囲へ１次空気を供給する1次空気通路とこの1次空気流路の外側に設けられ、主な燃焼空気となる２次空気を供給する2次空気流路とを備えている。1次空気流路下端付近で燃料ノズル近下流には保炎機能を有する遮蔽板（以下保炎板と呼ぶ）が取付けられ、２次流路下端には火炎を分割し、燃焼ガスの再循環を促すよう複数の空気噴流口が前記保炎板の下流まで延出した形で設けられている。こうした構成のバーナでは、1次空気量と２次空気量の比は、１次空気流路入口の開口面積と２次空気流路下端の空気噴流口の面積により固定されている。

特開２００１−２５４９１３

このため、定格燃焼量にあわせて、１次空気流路入口の開口面積と２次空気流路下端の空気噴流口の面積を設定すると、燃焼量を減少さすにつれて燃焼空気を減少するには、2次空気噴流口および保炎板回りから出る空気流速を下げざるを得ない。

この空気流速が下がると燃料ノズルから噴霧される燃料と燃焼空気との混合が悪くなったり、保炎板直下流に形成される循環流が弱くなるため、火炎が不安定になったり、火炎長が異常に長くなったりして、缶の異常振動の原因となる。

このため、ターンダウン（最少燃焼量：最大燃焼量）は大きく取れず、ターンダウン１：２〜１：３の３位置制御＆４位置制御が使用されている。

小まめな燃焼制御が要求される吸収式冷温水機では比例制御が一般的で、特許文献１に述べられた方式の低ＮＯｘバーナを比例制御に適用するには、ターンダウンを大きくして、運転領域を広げることが必要となる。

この発明の解決しようとする課題はターンダウンを大きくしても、低ＮＯｘ特性を損なうことなく安定燃焼ができるバーナを開発することである。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、燃料を噴出するノズルと燃焼空気の送風手段と燃焼空気をノズルから噴霧される燃料へ供給する空気通路とを備えるバーナにあって、ノズルからの燃料噴出量の低減に応じて、送風手段から供給する燃焼空気流量を低減する燃焼量低減時においても、主燃焼空気である２次空気噴流の中に高速の空気を吹き込み、２次空気噴流の流速をあげ、乱れを増幅して、噴霧燃料との混合を促進するために、１ｋＰａ以上の高圧噴流口を主燃焼空気の出口である２次空気噴流口内に配置し、２次空気噴流と同軸方向に噴出す高圧空気ノズルを持つことを特徴としている。

請求項２の発明は、主燃焼空気である２次空気の流速の増加・乱れの増強を図るには、高速流体を２次空気の流れの塊りの中に吹き込まなくても、側面から流れに沿って斜めにぶつけても目的が達成される為、高圧噴流口の位置を２次空気噴流口の直近傍とし、高圧噴流の噴流中心軸と２次空気噴流の噴流中心軸のなす角が２０〜４５度で交叉するように開口した噴流口を持つ高圧空気ノズルがあることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は請求項１または請求項２の高圧噴流口の数を規定したもので、必ずしも、主燃焼空気である２次空気噴流全てに対して高圧噴流をぶつけることが必要でなく、２次空気噴流の数の１／３〜１の高圧噴流の数で当初の目的が達成できることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は請求項１または請求項２の高圧噴流を作る流路を、下流において燃料ノズル周囲に形成される１次空気通路とこの１次空気通路の外側に形成される２次空気通路と接続し、上流においては送風手段に接続している空気通路において、その空気通路に取付けられている１次空気と２次空気の量を制御する流量制御手段より上流で送風手段との間の位置から分岐し、且つ、この高圧空気流路に独立した流量制御手段をもつことを特徴としている。

この発明によれば、燃料ノズルからの燃料噴出量を低減するとき、１次空気量・２次空気量をそれにあわせて低減すると、１次空気噴流と２次空気噴流の流速は低下せざるを得ないが、高圧噴流により２次空気は流速があがり、２次空気の流塊も乱れが強化される為、燃料との混合が促進され、火炎の安定と火炎長の膨張を抑制でき、燃料の低減限界を下げられる。更に、請求項４の高圧空気通路の流量制御手段を利用すると、１次空気と２次空気を制御する制御手段では制御しきれない低流量域でも燃焼空気を制御できることとなり、高ターンダウン運転が可能となる。

この発明の実施の形態について説明する。この実施の形態は温水および蒸気ボイラや吸収式冷温水機に用いられるバーナにおいて実現され、特に、油燃料を燃焼させる吸収式冷温水機においてより好適に実現されるが、ガス燃料を燃焼させるバーナにおいても実現可能である。

まず、この形態の概要を説明する。この実施形態は燃料を噴出するノズルと燃焼空気の送風手段、燃料ノズルから噴出された燃料に燃焼空気を供給・混合する空気流路を備えるバーナにあって、燃料ノズルからの燃料噴出量の低減に応じて、送風手段から供給する燃焼用空気流量を低減する燃焼量低減時、主燃焼空気となる２次空気の流速と乱れの低下を抑制し、燃料と空気の混合を維持する高圧空気噴流口を２次空気噴流口の中または近傍にもつ高圧空気ノズルを備えたバーナである。

この実施形態において、燃料ノズルからの燃料噴出を低減する際、適正空気比を保つための燃焼用空気の低減による２次空気の噴出速度の低下や流れの乱れの低下を抑制し、ノズルから噴出した燃料との混合が適正に保持される。その結果、燃焼の不安定や火炎長さの膨張が抑えられることとなる。

この実施形態の構成要素について具体的に説明する。前記燃料ノズルは油燃料またはガス燃料を噴出する噴出口である。このノズルはA重油などの油燃料では１つまたは複数のノズルで燃料噴出量の調整が可能なように構成されるが、調量弁を持つ比例式バーナでは燃料ノズルが１つのものが普通である。以下比例式油バーナとして説明する。

前記送風手段は、燃焼用空気の供給量を燃焼量の増減に応じて増減する機能を有する送風機を含み、種類は問わない。好ましくはインバータによる回転数制御により送風が調製可能なものとする。

空気流路は上流側が送風手段に接続され、下流が燃料ノズル周囲へ至るように形成されている。

そして、この空気流路は燃料ノズル周囲に形成されている１次空気流路とこの外側に形成される２次空気流路からなる。１次空気は燃料ノズルから噴出される燃料と混合し、着火手段により着火され、燃料ノズル下流側に火炎を形成する。２次空気は燃料の燃焼を完結するための主燃焼空気であり、前記の火炎に供給される。

燃料ノズルを囲む１次空気流路の下流端部には、１次空気と噴霧燃料との混合気の旋回流を形成する為の保炎板を設けている。この保炎板には、放射状に複数の空気孔を開け、この空気孔に切り起こし片を持たせることで、下流側に旋回流を形成させる構造にする。
また、１次流路を形成する内筒の下流端より所定量上流側にこの保炎板を設けることで、保炎性能を向上させている。

２次空気流路を形成する内筒とその外を囲む外筒の下流端には、保炎板から下流側に離れた位置で火炎に対し燃焼空気を供給するためのノズル（以下２次空気ノズルと呼ぶ）が複数配置された板が取付けられる。ノズルの形状は円形でも多角形でもかまわないが、ノズルの長さは２０ｍｍ〜８０ｍｍ程度が好ましい。

１次空気流路及び２次空気流路に接続する上流側の空気流路にはこれらの流量を制御する流量制御機構が設置される。流量制御機構は燃料の増減に比例して空気流路の開度を制御するダンパ機構を設ける。

この種のバーナでは、２次空気ノズルから噴出する空気により、火炎は分割冷却されるとともに、この空気の流れにより燃焼排ガスの炉内循環が強化され、循環排ガスが２次空気ノズルの間を通って保炎板下流の火炎に導入されることで低ＮＯｘ化が図られる。いわゆる内部再循環の強化による低ＮＯｘ化である。

燃料ノズルから噴出する燃料量の増減に応じ、１次空気と２次空気の流量をダンパにより制御するが、燃焼量の低減に応じ燃焼空気を低減してゆくと、保炎板周囲から噴出する１次空気流速、２次空気ノズルから噴出する２次空気流速は低下し、噴霧燃料と空気の混合が悪くなり、火炎が不安定になるばかりか、火炎長が長くなるため、その缶体が振動を起こしやすく、燃焼量の低減を大きくできない。

そこで、燃焼空気を低減した際、２次空気の流速低下と２次空気噴流の乱れが少なくなることによる噴霧燃料と燃焼空気の混合悪化を抑止する為、少量の高圧空気噴流を２次空気噴流塊にぶつける高圧噴流ノズルを２次空気ノズル内部または２次空気ノズルに隣接する位置に設ける。

これに使用する高圧空気はこのバーナ以外の系から求めてもよいが、同一バーナの送風機から得るのが一般的である。このため、１次空気量及び２次空気量を制御するダンパより上流の空気流路から分岐した高圧流路を設ける。これにより、高圧流路には送風機吐出圧とほぼ同じ圧力が掛かることになる。

この高圧空気流路には流量制御機構を前記流量機構とは独立に設ける。この機構は特定の開度を持つオリフィスでもよいし、ダンパでも、他の方法でも良い。必要とする最少燃焼空気量が制御できるものとする。

以上の実施の形態において、高圧空気噴流は全燃焼範囲で噴出するが、高燃焼域では高圧空気噴流流速と２次空気噴流流速とは大差なく、燃焼量が低減するにつれて、２次空気の噴流流速が低下するため、高圧空気噴流による２次空気の攪乱機能が大きくなる。

また、２次空気流量が制御しにくい範囲までダンパが絞られても、最低燃焼量に必要な空気が高圧空気噴流にて確保される為、ターンダウンを広く取れることとなる。

そして、高圧空気噴流は２次空気噴流とほぼ同じ位置から同じ方向に噴出するため、当バーナの低ＮＯｘ機構を妨げることもない。

以下、この発明の具体的な実施例を、油を燃料とする比例燃焼制御バーナについて、図１〜図６に基づいて詳細に説明する。ここで図１は実施例の図２のＡ−Ｏ−Ｂ線の縦断面の説明図であり、図２はバーナを火炎側からみた正面図である。図３は比較バーナの縦断面の図である。図４は実施例から得られた運転範囲を示す図である。

図５は実施例のバーナをＯ２＝５％で運転したとき得られたＮＯｘ性能を示す図である。図６は比較例から得られた運転範囲を示す図である。図７は比較例のバーナをＯ２＝５％で運転したとき得られたＮＯｘ性能を示す図である。

この実施例のバーナは、油燃料を噴霧する燃料ノズル１と、送風機２とバーナの風箱５を結び燃焼量の増減に比例して空気比がほぼ一定になる様ように空気を制御するダンパ４を流路内にもつ空気流路３と、風箱５に接続し、燃料ノズル１を囲む１次空気通路７を形成する内筒１６とその外側に２次空気通路６を形成する外筒１７が構成する同軸環状ダクトの下流端面に2次空気をふんしゃする8本の２次空気ノズル１４の噴流口８が内筒１６の下流端に位置する保炎板９より特定の距離はなれた下流に設けられているバーナにおいて、2次空気ノズル１４内を通り2次空気噴流口８の近くで高圧空気が噴出する噴流口１２を持つ４本の高圧空気ノズル１５がこのノズルの上流側で接続している高圧空気ヘッダー１１へと繋がった、送風機２とダンパ４の間で空気通路３から分岐した高圧空気流路１０を設けたバーナである。

この高圧空気流路１０にはダンパ４とは独立の高圧空気の圧力調整・流量制御を目的としたダンパ１３を設け、任意の圧力で必要な量の高圧空気を高圧空気ノズル１５に供給する。

比例バーナにおいて、燃焼量の増減は燃料ノズル１のリターンラインに設置した調量弁により調整し、燃料流量に対して空気比をほぼ一定になるよう調量弁とリンケージを組んだダンパ４で燃焼空気を比例制御する。

以上の如く構成される実施例の作用を説明する。運転の一例として、まず高圧空気ノズル１５から噴出する空気量を定格燃焼に必要な空気量の約２０％になるよう高圧空気流路１０にあるダンパ１３を調整する。また、空気流路３に設置したダンパ４は定格燃焼から最少燃焼の範囲で、燃料供給を調整する調量弁の開度に比例して、燃焼空気量を制御できるよう調量弁とリンケージを組む。

燃焼量が減少していくにつれて、空気流路３に設置したダンパ４は絞られ、２次空気ノズル入口圧は送風機２吐出圧より大きく低下してゆく。これにともない、２次空気噴流口８より噴出する空気の流速は低下し、噴流塊内の乱れが減少し、拡散係数が低下する為、噴霧された燃料との混合が悪くなるなり、燃焼完結が遅くなるため火炎が伸び、結果として振動燃焼を起こしやすくなるが、２次空気噴流塊に高圧噴流口１２から高速の空気を吹き込めば、２次空気噴流塊内部から乱れを増幅し、拡散係数が増加する。これにより、前記のような振動燃焼の発生が抑えられるため、より燃焼量の低い範囲まで安定燃焼できるようになる。

図４に実施例のバーナによる運転範囲を示す。図５は図3の比較バーナによる運転範囲を示しているが、定格燃焼の３０％以下では運転できないし、缶体が一旦冷えて再度運転を開始するような冷態始動時には定格の５０％でも振動燃焼を起こす条件があり、運転範囲が狭まっている。しかし、図４からは定格燃焼の２０％まで、安定燃焼領域があり、ターンダウンは１：５と広がっていることがわかる。

また、低ＮＯｘ性能に関しても、図６と図７を比べることにより実施例のバーナは前記比較バーナに比べ優れていることがわかる。

これは、２次空気噴流塊に吹き込まれる高圧空気噴流が２次空気噴流塊の内部から速度を増加さすため、火炎の分割性を損なうことなく燃焼排ガスの炉内再循環を促進することで、緩慢燃焼による低ＮＯｘ化が図られたものと思われる。

さらに、ダンパで空気量を制御する場合、回転角度と流量の関係は直線的でなく、閉止からの立ち上がりが激しい。言い換えると、流量を絞る場合、低流量になるほど回転角の制御範囲が狭くなり、操作し難くなる。この実施例のように、高圧空気ノズルを通して、一定量の空気をダンパ４とは独立に空気を供給しておけば、ダンパ４の空気が過少側に振れても、一定量の燃焼空気は確保されていることになり、安全サイドの容易な運転が可能となる。

この発明は、前記実施例に限定されるものではなく、高圧空気ノズル１５の数を２次空気ノズル１４の数の１／３〜１の範囲で設けることもできるし、ノズル形状も円形でなく多角形のパイプでもよい。さらに、高圧空気流路１０に設けた流量制御機構としてはオリフィスを使用することも出来るし、高圧空気流路１０に流量制御機構を設けず、高圧空気ノズル自体の口径と長さで流量を制御してもよい。

また、２次空気噴流塊内部に高圧空気噴流をぶつけなくても、２次空気噴流口８の近傍から２次空気の流れに沿う方向に向けて２次空気噴流塊表面に高圧空気噴流をぶつけるべく高圧噴流口１２を設けてもよい。

この発明の実施例の図２におけるＡ−Ｏ−Ｂ断面の説明図である。同実施例の火炎側からみた正面図である。今回使用した比較バーナの断面図である。実施例のバーナによる運転可能範囲を示した図である。比較バーナによる運転可能範囲を示した図である。実施例のバーナによる灯油を燃料とした時のＮＯｘ性能を示した図である。比較バーナによる灯油を燃料とした時のＮＯｘ性能を示した図である。

１燃料ノズル
２送風機
３空気流路
４燃焼空気用ダンパ
５風箱
６２次空気流路
７１次空気流路
８２次空気噴流口
９保炎板
１０高圧空気流路
１１高圧空気ヘッダー
１２高圧空気噴流口
１３高圧空気用ダンパ
１４２次空気ノズル
１５高圧空気ノズル
１６内筒
１７外筒
１８コーンガイド

Claims

燃料を噴出するノズル１と燃焼空気の送風手段２と燃焼空気をノズル１から噴霧される燃料へ供給する空気通路３とを備えるバーナにあって、ノズル１からの燃料噴出量の低減に応じて、送風手段２から供給する燃焼空気量を低減する燃焼量低減時においても、燃焼空気の流速をあげ、乱れを増幅して、噴霧燃料との混合を促進するために、１ｋＰａ以上の高圧噴流口１２を主燃焼空気の出口である２次空気噴流口８内に配置し、２次空気噴流と同軸方向に高速空気を噴出さす高圧空気ノズル１５をもつことを特徴とするバーナ。
前記高圧噴流口１２が2次空気噴流口８の近傍にあり、高圧噴流の噴流中心軸方向と2次空気噴流の噴流中心軸が２０〜４５度の角度で交叉するように開口した噴流口である高圧空気ノズル１５をもつことを特徴とするバーナ
前記高圧噴流口１２の数が２次空気噴流口の数の１／３〜１となることを特徴とする請求項１および請求項２のバーナ
ノズル１周囲に形成される1次空気通路７とこの1次空気通路の外側に形成される2次空気通路６に下流で接続し、上流において送風手段２と接続している空気通路であって、その流量を制御する流量制御手段４を含む空気流路３において、燃焼量低減時に流量制御手段４が作動し、流量制御手段４の下流圧が低下しても、この圧力変化の影響をほとんど受けない流量制御手段４の上流と送風手段２の間から分岐した高圧空気流路１０とその高圧空気流路１０内に高圧噴流の量を制御する流量制御手段１３を持つことを特徴とする請求項１および請求項２のバーナ。